2020 Fiscal Year Annual Research Report
Environmental electrophiles exposome and reactive sulfur species as its regulator molecule
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18H05293
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| Research Institution | University of Tsukuba |
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Principal Investigator |
熊谷 嘉人 筑波大学, 医学医療系, 教授 (00250100)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
上原 孝 岡山大学, 医歯薬学総合研究科, 教授 (00261321)
西田 基宏 九州大学, 薬学研究院, 教授 (90342641)
秋山 雅博 慶應義塾大学, 薬学部(芝共立), 特任講師 (60754570)
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| Project Period (FY) |
2018-06-11 – 2023-03-31
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| Keywords | 環境中親電子物質 / 活性イオウ分子 / エクスポソーム / 複合曝露 / アンチポーター |
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| Outline of Annual Research Achievements |
細胞における環境中親電子物質の複合曝露：Keap1/Nrf2シグナル 1,2-NQ、1,4-NQ、および(E)-2-アルケナール類曝露によるHepG2細胞の細胞毒性（LC50値）は、単独曝露より複合曝露の方が有意に低かった。ヘキセナールによるGSHおよびセンサータンパク質Keap1のチオール基消費量に関するEC50値は、その単独曝露より1,2-NQおよび1,4-NQとの複合曝露の方が有意に低下した（GSHに対して相加効果、Keap1に対して相乗効果）。また、ヘキセナールによる転写因子Nrf2活性化およびその下流遺伝子群の発現誘導は、単独曝露より1,2-NQおよび1,4-NQとの複合曝露の方が有意に低下した（相加効果）。さらに、HepG2細胞におけるヘキセナールの細胞毒性は、単独曝露より1,2-NQおよび1,4-NQとの複合曝露の方が有意に低下した（相乗効果）。
環境中親電子物質のイオウ付加体の生体内運命： 活性イオウ分子によりMeHgから生じた (MeHg)2Sは、生理的pHにおいて徐々に分解され、揮発性の高い物質に変換されることが示唆された。反応液の気相および水相を濃縮分離してGC-MSおよびX線回折した結果、(MeHg)2Sはそれぞれジメチル水銀（DMeHg）および硫化水銀（HgS）に変換されることが示された。また、マウスを(MeHg)2Sに腹腔内投すると、呼気中からDMeHgが排泄されることを見出した。これは哺乳類において、MeHgが生体内で(MeHg)2Sを中間代謝物としてDMeHgに変換される初めての報告である。
システインパースルフィド/シスチンアンチポーターの同定： SLC7A11 のノックアウト（遺伝子欠損）およびノックアウト/ノックイン（高発現）HepG2細胞株を樹立した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
健康と環境要因との関係を知る上で、ヒトの生涯における環境曝露の総体であるエクスポソームという概念が注目されている。しかし、その被験物質は膨大であり、一般外的要因、内的要因および特殊外的要因に分類し、完全エクスポソームから限定エクスポソームへの移行が提案されている。我々は特殊外的要因の中で「優先被験物質」とされている親電子物質が、生活環境、ライフスタイルおよび食生活を通じて曝露されることに注目して研究を進めている。これまで実施してきた非細胞系、培養細胞およびマウスを用いた検討より、1）モデルタンパク質としてのアルブミンのチオール基修飾、2）環境中親電子物質曝露で観察される活性イオウ分子消費、3）低用量曝露でのセンサータンパク質の化学修飾およびそれに伴う応答分子の活性化（細胞内レドックスシグナル応答）、4）高用量曝露での細胞内タンパク質の化学修飾およびそれに伴う細胞毒性、5）マウスでのMeHg曝露による臓器中水銀蓄積と活性イオウ分子消費およびそれらに伴う協調運動の低下や致死効果は、それぞれの環境中親電子物質の個別曝露より複合曝露の方が著しいことが示唆された。これは当初の仮説を裏付けるものである。また、MeHgは生体内で産生された活性イオウ分子により捕獲・不活性化され (MeHg)2Sに代謝されるが、イオウ付加体がさらにジメチル水銀（DMeHg）および硫化水銀に変換されることが明らかとなった。特に、揮発性の高いDMeHgは呼気を介して体外に排泄されるという哺乳類におけるMeHgの新規の動態機構を見出した。さらに、活性イオウ分子であるシステインパースルフィドの体外排泄を担うSLC7A11の遺伝子改変細胞株（遺伝子欠損と高発現）の樹立に成功したことは、細胞外でのシステインパースルフィドによる環境中親電子物質の捕獲・不活性化の研究展開に繋がる。
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| Strategy for Future Research Activity |
生体内で産生される活性イオウ分子により環境中親電子物質のひとつであるMeHgはイオウ付加体である(MeHg)2Sに代謝されることが示されたが、食生活を介して環境中親電子物質だけでなく、そのリスク軽減因子である活性イオウ分子を含有する食材との同時曝露により当該イオウ付加体の生成は促進され、結果的にリスクは軽減されることが考えられる。そこで、イオウ含有量の高いニンニク中から未知のサルフェン硫黄含有成分を見出し、細胞および個体レベルでMeHgの有害性軽減に寄与するか否かを検討する。活性イオウ分子はレドックスホメオスタシスの鍵分子であることから、環境中親電子物質曝露で生じる生体内活性イオウ分子消費は当該リスクの重要な指標である。非細胞系での予備検討により、MeHg以外にカドミウム（Cd）や銅（Cu）も同程度の活性イオウ分子消費能を有したが、アルミニウム（Al）では観察されないことが明らかとなった。そこで、個体（マウス）レベルで、MeHgの個別曝露で見られる臓器中水銀の蓄積、臓器中あるいは細胞外（血漿）活性イオウ分子の消費、協調運動の低下および致死効果に対するCd、CuおよびAlの複合曝露効果を検討する。予備検討より、種々の培養細胞の活性イオウ分子であるシステインパースルフィドの細胞外排泄には、その完全酸化体であるシスチンの細胞内への取り込みが必須であることから、SLC7A11に注目して細胞でのシステインパースルフィド/シスチンレドックスサイクルの存在を明らかにする。細胞外に排泄されたシステインパースルフィドにより環境中親電子物質が捕獲・不活性化されることが分かれば、環境中親電子物質のリスク増加に対する予防的措置に繋がる。
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